Как изменить магнитный поток

Описание установки и метода

Лабораторная работа № 32

определениеиндуктивности катушки

Цель работы:

1. Ознакомиться с явлением самоиндукции.

2. Определить индуктивность катушки методом амперметра и вольтметра.

3.Исследовать влияние ферромагнитногосердечника на индуктивность катушки.

Теоретическое введение

Магнитнымпотоком через бесконечно малуюплощадкуdS называется скалярная величина,равная:

, (1)

где B – индукциямагнитного поля, α – угол между вектороммагнитной индукции и нормалью к площадке dS(рис. 1). Магнитный поток Φ черезпроизвольную поверхность Sравен:

, (2)

а в случае однородного поля и плоскойплощадки:

. (3)

Изформулы (3) видно, что изменить магнитныйпоток можно, изменяя В, Sили α как по отдельности, так ивместе.

Рисунок 1. Площадка dS в магнитном поле

В 1834 г.М.

Фарадей открыл явление электромагнитнойиндукции, заключающееся в следующем:при любом изменении магнитного потока,пронизывающего замкнутый проводящийконтур, в нём возникает ЭДС (ЭДС индукции)Εiи протекает индукционный ток.

Согласно закону Фарадея (законуэлектромагнитной индукции), ЭДС индукцииΕi существуеттолько в те промежутки времени, когдамагнитный поток изменяется, и равна собратным знаком скорости изменениямагнитного потока:

, (4)

где dΦ/dt –cкорость изменения магнитногопотока.

Знакминус показывает, что если Φ возрастает,то есть dΦ/dt> 0, то Εi < 0 и наоборот. Этот знак выражаетправило Ленца, определяющеенаправление индукционного тока:индукционный ток имеет такое направление,что своим магнитным полем противодействуетизменению магнитного потока, вызывающемуэтот ток. Правило Ленца согласуется сзаконом сохранения энергии.

Электрическийток, текущий в замкнутом контуре (витке),создаёт вокруг себя магнитное поле,пронизывающее сам этот контур. Сцеплённыйс контуром магнитный поток пропорционаленсиле тока, то есть:

Φ ~ I (5)

Отношениемагнитного потока, сцеплённого сконтуром, к силе тока, создающего этотмагнитный поток, называется индуктивностьюконтура. Это – статическое определениеиндуктивности:

L = . (6)

Есликонтур состоит из Nвитков, намотанных на один каркас,то такой контур называют индуктивнойкатушкой и вводят понятие потокосцепленияΨ:

Ψ = Φ∙N , (7)

где под Φ понимают магнитный потокчерез один виток. В этом случаеиндуктивность контура определяетсясоотношением:

L = (8)

Так как внутрикатушки магнитное поле направлено вдольеё оси, то есть перпендикулярно плоскостивитков, формула (3) принимает вид:

Φ = B∙S . (9)

Как известно,индукция магнитного поля связана снапряжённостью:

В = μμоН , (10)

где μ – магнитная проницаемостьсреды (сердечника, помещённого в катушку),μо = 4π∙10-7Гн/м – магнитная постоянная. Напряжённостьмагнитного поля внутри длинной катушки– соленоида (l >>d)равна:

Н = I∙n , (11)

где n = N/l –число витков на единицу длины, l– длина соленоида, d– его диаметр.

Решаясовместно (7), (8), (9), (10), (11) получим формулудля индуктивности длинного соленоида:

L = μoμn2V, (12)

где V = l∙S = l∙πd2/4 – объём магнитного поля внутрисоленоида.

Еслисоленоид включить в цепь постоянноготока и измерить силу тока Iв цепи и напряжение U,приложенное к соленоиду, то по законуОма для постоянного тока можно найтисопротивление R проволоки,из которой он изготовлен. Это сопротивлениеназывается омическим:

(13)

Привключении соленоида в цепь переменноготока магнитный поток, пронизывающийвитки катушки, изменяется.

Это по законуФарадея приводит к возникновению вкатушке ЭДС индукции (в данном случаеназываемой ЭДС самоиндукции) Εsi,которая создаётиндукционный ток,по правилу Ленца направленный против«основного» тока в катушке, если он(«основной» ток) возрастает, и в том женаправлении, если он убывает.

Такимобразом, при включении соленоида в цепьпеременного тока индукционный токпрепятствует возрастанию и убыванию«основного» тока. В результате в цепипеременного тока сопротивление катушкибольше, чем в цепи постоянного тока, изакон Ома для действующих значений токаI и напряженияU записывается в виде:

, (14)

где Z– полноесопротивление цепи, определяемоеформулой:

, (15)

где ω = 2πf –циклическая частота, f– частота переменного тока (в нашемслучае f = 50,0 Гц), XL= ωL –так называемое индуктивноесопротивление.

Закон Фарадеядля ЭДС самоиндукции можно записать ввиде:

, (16)

или, используя (8), Еsi= -d(LI)/dt. В случае, если Lне зависит от силы тока I,формула ЭДС самоиндукции принимаетвид:

. (17)

На основанииформулы (17) можно дать динамическоеопределение индуктивности: величина,равная модулю отношения ЭДС самоиндукцииЕsi,возникающей в контуре, к скоростиизменения силы тока dI/dtв нём, называется индуктивностьюконтура:

. (18)

И

Рисунок 2. Зависимость магнитной проницаемости μ ферромагнетика от напряжённости H магнитного поля (кривая Столетова)

ндуктивность статическаяравна динамической, если она не зависитот силы тока. Это возможно, если в катушкенет сердечника из ферромагнитногоматериала.

Приналичии такого сердечника его магнитнаяпроницаемость μ является сложнойфункцией напряжённости магнитного поляН (рис. 2), которая зависит от силытока I (см.формулу (11)), и поэтому индуктивностьявляется сложной функцией I.Индуктивность измеряется в генри(Гн = Вб/А = В∙с/А = Ом∙с).

Из формулы (15)следует формула для расчёта индуктивности:

. (19)

Установка, схемакоторой приведена на рис.3, состоит изследующих элементов:

• регулируемого источника постоянного и переменного тока G,
• миллиамперметра РА,
• вольтметра PV,
• к атушки L с вынимающимся ферромагнитным сердечником S.

Рисунок3.Принципиальная схема установки

Через катушкупри наличии в ней сердечника и без негопропускают постоянный и переменный токи измеряют силу тока в цепи и падениенапряжения на катушке. Затем по формулам(13) и (14) вычисляют значения омическогои полного сопротивлений катушки и поформуле (19) определяют её индуктивность.

Порядок выполнения работы

1. При использовании в качестве PV электронного цифрового прибора подготовить его к работе в соответствии с инструкцией на стенде.

2. Определить и записать класс точности и предел измерения Imax прибора PA. Выписать из инструкции на стенде формулы для расчета погрешности прибора PV.

3. Собрать схему по рис. 5, подключив цепь к клеммам постоянного напряжения источника G.

4. Удалить сердечник из катушки.

5. Снять показания PA и PV для трех положений регулятора источника G и результаты измерений записать в таблицу 1 для постоянного тока без сердечника.

6. Вставить сердечник в катушку, повторить измерения, указанные в пункте 5 и результаты внести в таблицу 1 для постоянного тока с сердечником.

7. Выключить источник питания, подключить цепь к клеммам переменного напряжения и снова включить источник.

8. Выполнить операции, указанные в пунктах 4, 5, 6. Результаты записать в таблицу 1 для переменного тока с сердечником и без него.

Таблица 1 Таблицаэкспериментальных и расчетных данных

№п/п	Постоянный ток	Переменный ток	L, Гн
I, А	U, В	R,Ом	Rср,Ом	I, А	U, В	Z, Ом	Zср,Ом
Без сердечника
1
2
3
С сердечником
1
2
3

Обработка результатов измерений

1. Для каждого измерения по формулам (13) и (14) определить активное сопротивление R и полное сопротивление Z катушки .

2. Найти средние значения активных и полных сопротивлений катушки без сердечника и с сердечником и оценить их погрешности по формулам:

(20)

(21)

ЗдесьΔI определяется поклассу точности прибора PA,а относительные погрешности ΔU/Uдля постоянного и переменногонапряжения рассчитываются по формулам,приведенным в инструкции на стенде.

Сравнить результаты измерения активногосопротивления для катушки с сердечником и без сердечника. Сделать вывод о влияниисердечника на величину активногосопротивления катушки.

По формуле (19) рассчитать значенияиндуктивности катушки без сердечникаи с сердечником и оценить их погрешностипо формуле:

, (22)

где ∆f = 0.1 Гц.

5. Сделать вывод о влиянии сердечникана индуктивность катушки.

Источник: https://studfile.net/preview/7185373/

Электромагнитная индукция – FIZI4KA

ЕГЭ 2018 по физике ›

Электромагнитная индукция – явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.

Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем.

Опыты Фарадея

• На одну непроводящую основу были намотаны две катушки: витки первой катушки были расположены между витками второй. Витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а второй – подключены к источнику тока. При замыкании ключа и протекании тока по второй катушке в первой возникал импульс тока. При размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тек в противоположном направлении.
• Первая катушка была подключена к источнику тока, вторая, подключенная к гальванометру, перемещалась относительно нее. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.
• Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется – вдвигается (выдвигается) – относительно катушки.

Опыты показали, что индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции. Направление тока будет различно при увеличении числа линий и при их уменьшении.

Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Может изменяться само поле, или контур может перемещаться в неоднородном магнитном поле.

Объяснения возникновения индукционного тока

Ток в цепи может существовать, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура равна ЭДС. Значит, при изменении числа магнитных линий через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляется ЭДС, которую называют ЭДС индукции.

Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Его называют вихревым электрическим полем. Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1861 году.

Свойства вихревого электрического поля:

• источник – переменное магнитное поле;
• обнаруживается по действию на заряд;
• не является потенциальным;
• линии поля замкнутые.

Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике.

Магнитный поток

Магнитным потоком через площадь ​\( S \)​ контура называют скалярную физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции ​\( B \)​, площади поверхности ​\( S \)​, пронизываемой данным потоком, и косинуса угла ​\( \alpha \)​ между направлением вектора магнитной индукции и вектора нормали (перпендикуляра к плоскости данной поверхности):

Обозначение – ​\( \Phi \)​, единица измерения в СИ – вебер (Вб).

Магнитный поток в 1 вебер создается однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадью 1 м2, расположенную перпендикулярно вектору магнитной индукции:

Магнитный поток можно наглядно представить как величину, пропорциональную числу магнитных линий, проходящих через данную площадь.

В зависимости от угла ​\( \alpha \)​ магнитный поток может быть положительным (\( \alpha \) < 90°) или отрицательным (\( \alpha \) > 90°). Если \( \alpha \) = 90°, то магнитный поток равен 0.

Изменить магнитный поток можно меняя площадь контура, модуль индукции поля или расположение контура в магнитном поле (поворачивая его).

В случае неоднородного магнитного поля и неплоского контура магнитный поток находят как сумму магнитных потоков, пронизывающих площадь каждого из участков, на которые можно разбить данную поверхность.

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея):

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

Знак «–» в формуле позволяет учесть направление индукционного тока. Индукционный ток в замкнутом контуре имеет всегда такое направление, чтобы магнитный поток поля, созданного этим током сквозь поверхность, ограниченную контуром, уменьшал бы те изменения поля, которые вызвали появление индукционного тока.

Если контур состоит из ​\( N \)​ витков, то ЭДС индукции:

Сила индукционного тока в замкнутом проводящем контуре с сопротивлением ​\( R \)​:

При движении проводника длиной ​\( l \)​ со скоростью ​\( v \)​ в постоянном однородном магнитном поле с индукцией ​\( \vec{B} \)​ ЭДС электромагнитной индукции равна:

где ​\( \alpha \)​ – угол между векторами ​\( \vec{B} \)​ и \( \vec{v} \).

Возникновение ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.

Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю.

Количество теплоты в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.

Важно!
Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам:

• магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле;
• вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея.

Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной:

• в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца;
• в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.

Направление индукционного тока определяется по правилу Ленца: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.

Алгоритм решения задач с использованием правила Ленца:

• определить направление линий магнитной индукции внешнего магнитного поля;
• выяснить, как изменяется магнитный поток;
• определить направление линий магнитной индукции магнитного поля индукционного тока: если магнитный поток уменьшается, то они сонаправлены с линиями внешнего магнитного поля; если магнитный поток увеличивается, – противоположно направлению линий магнитной индукции внешнего поля;
• по правилу буравчика, зная направление линий индукции магнитного поля индукционного тока, определить направление индукционного тока.

Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.

Самоиндукция

Самоиндукция – это явление возникновения ЭДС индукции в проводнике в результате изменения тока в нем.

При изменении силы тока в катушке происходит изменение магнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного потока, пронизывающего катушку, должно вызывать появление ЭДС индукции в катушке.

В соответствии с правилом Ленца ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении и убыванию силы тока при выключении цепи.

Это приводит к тому, что при замыкании цепи, в которой есть источник тока с постоянной ЭДС, сила тока устанавливается через некоторое время.

При отключении источника ток также не прекращается мгновенно. Возникающая при этом ЭДС самоиндукции может превышать ЭДС источника.

Явление самоиндукции можно наблюдать, собрав электрическую цепь из катушки с большой индуктивностью, резистора, двух одинаковых ламп накаливания и источника тока. Резистор должен иметь такое же электрическое сопротивление, как и провод катушки.

Опыт показывает, что при замыкании цепи электрическая лампа, включенная последовательно с катушкой, загорается несколько позже, чем лампа, включенная последовательно с резистором. Нарастанию тока в цепи катушки при замыкании препятствует ЭДС самоиндукции, возникающая при возрастании магнитного потока в катушке.

При отключении источника тока вспыхивают обе лампы. В этом случае ток в цепи поддерживается ЭДС самоиндукции, возникающей при убывании магнитного потока в катушке.

Источник: https://fizi4ka.ru/egje-2018-po-fizike/jelektromagnitnaja-indukcija.html

Как можно изменить магнитный поток

g84jsm9tB4S

Взаимосвязь электрических и магнитных полей замечена очень давно. Данную связь еще в 19 веке обнаружил английский ученый-физик Фарадей и дал ему название электромагнитной индукции. Она появляется в тот момент, когда магнитный поток пронизывает поверхность замкнутого контура. После того как происходит изменение магнитного потока в течение определенного времени, в этом контуре наблюдается появление электрического тока.

Взаимосвязь электромагнитной индукции и магнитного потока

Суть магнитного потока отображается известной формулой: Ф = BS cos α. В ней Ф является магнитным потоком, S – поверхность контура (площадь), В – вектор магнитной индукции. Угол α образуется за счет направления вектора магнитной индукции и нормали к поверхности контура. Отсюда следует, что максимального порога магнитный поток достигнет при cos α = 1, а минимального – при cos α = 0.

Во втором варианте вектор В будет перпендикулярен к нормали. Получается, что линии потока не пересекают контур, а лишь скользят по его плоскости. Следовательно, определять характеристики будут линии вектора В, пересекающие поверхность контура. Для расчета в качестве единицы измерения используется вебер: 1 вб = 1в х 1с (вольт-секунда). Еще одной, более мелкой единицей измерения служит максвелл (мкс). Он составляет: 1 вб = 108 мкс, то есть 1 мкс = 10-8 вб.

Для исследования электромагнитной индукции Фарадеем были использованы две проволочные спирали, изолированные между собой и размещенные на катушке из дерева. Одна из них соединялась с источником энергии, а другая – с гальванометром, предназначенным для регистрации малых токов. В тот момент, когда цепь первоначальной спирали замыкалась и размыкалась, в другой цепи стрелка измерительного устройства отклонялась.

Проведение исследований явления индукции

В первой серии опытов Майкл Фарадей вставлял намагниченный металлический брусок в катушку, подключенную к току, а затем вынимал его наружу (рис. 1, 2).

1 2

В случае помещения магнита в катушку, подключенную к измерительному прибору, в цепи начинает протекать индукционный ток. Если магнитный брусок удаляется из катушки, индукционный ток все равно появляется, но его направление становится уже противоположным. Следовательно, параметры индукционного тока будут изменены по направлению движения бруска и в зависимости от полюса, которым он помещается в катушку. На силу тока оказывает влияние быстрота перемещения магнита.

Во второй серии опытов подтверждается явление, при котором изменяющийся ток в одной катушке, вызывает индукционный ток в другой катушке (рис. 3, 4, 5). Это происходит в моменты замыкания и размыкания цепи.

От того, замыкается или размыкается электрическая цепь, будет зависеть и направление тока. Кроме того, эти действия есть ни что иное, как способы изменения магнитного потока.

При замыкании цепи он будет увеличиваться, а при размыкании – уменьшаться, одновременно пронизывая первую катушку.

3 4

5

В результате опытов было установлено, что возникновение электрического тока внутри замкнутого проводящего контура возможно лишь в том случае, когда они помещаются в переменное магнитное поле. При этом, поток индукции магнитного поля может изменяться во времени любыми способами.

Источник: http://pechi-sibiri.ru/kak-mozhno-izmenit-magnitnyj-potok/

Может ли ток в обмотке дросселя измениться мгновенно? Часть 2

Формула (6) показывает лишь связь между электромагнитными процессами в дросселе, но не предусматривает возможности изменения ни токов в обмотках, ни магнитного потока. И значит, пришло время вспомнить открытый Фарадеем закон электромагнитной индукции, связывающий электродвижущую силу е с изменением магнитного потока:

(9)

где N – количество витков обмотки.

Подобно рассмотренной выше теореме о циркуляции вектора напряженности магнитного поля, закон Фарадея также связывает две части единого целого.

Закон электромагнитной индукции работает «в обе стороны»: любое изменение магнитного потока, например, из-за перемещения постоянного магнита возле обмотки, приводит к появлению на ее выводах ЭДС, а появление стороннего напряжения на выводах – к изменению магнитного потока.

Таким образом, прикладывая к обмотке произвольное напряжение u(t) на протяжении некоторого интервала времени tНАЧtКОН можно изменить магнитный поток на величину ΔФ:

(10)

На протяжении первого этапа преобразования к обмотке W1 через открытый ключ S1 прикладывается напряжение конденсатора С1, равное напряжению на входе преобразователя UВХ.

Для обеспечения нормальной работы схемы количество энергии в конденсаторах С1 и С2 должно быть как минимум на порядок больше количества энергии, накапливаемой в дросселе L1. Это означает, что изменением напряжения на конденсаторе С1 за время первого этапа преобразования можно пренебречь, приняв uW1(t) = UВХ = const.

Это позволяет вынести uW1(t) в формуле (10) за знак интеграла и определить величину изменения магнитного потока на первом этапе преобразования ΔФ1:

(11)

где t1 – длительность первого этапа преобразования.

Таким образом, к следующей коммутации ключей S1 и S2 магнитный поток станет равным ФКОН1= ФНАЧ1 + ΔФ1, которому будет соответствовать ток IW1_КОН в обмотке W1:

(12)

После окончания первого этапа преобразования, начинается второй, на протяжении которого ключ S1 находится в разомкнутом, а ключ S2 – в замкнутом состоянии.

Очевидно, что все процессы на втором этапе полностью идентичны и отличаются только активными элементами схемы: дроссель L1 через обмотку W2 и ключ S2 обменивается энергией с конденсатором С2, а элементы С1, W1 и S1 не принимают участия в работе.

Как и на первом этапе, в момент замыкания ключа S2 магнитный поток ФНАЧ2 в дросселе может быть отличен от нуля, и ему будет соответствовать ток IW2_НАЧ в обмотке W2:

(13)

Точно так же, за время второго этапа магнитный поток изменится на величину ΔФ2, поскольку к его обмотке W2 через открытый ключ S2 приложено напряжение uW2(t), равное напряжению на конденсаторе С2, которое на протяжении второго этапа длительностью t2 практически не меняется, и значит его можно считать постоянным и равным выходному напряжению преобразователя UВЫХ, поэтому

(14)

А к концу второго этапа магнитный поток достигнет величины ФКОН2 = ФНАЧ2 + ΔФ2, которому будет соответствовать ток IW2_КОН:

(15)

Поскольку в моменты коммутации ключей S1 и S2 магнитный поток Ф остается неизменным, мы имеем полное право записать:

(16)

Ну и для того, чтобы преобразователь выполнял свою непосредственную функцию, должно выполняться последнее условие:

(17)

иначе магнитопровод дросселя после нескольких циклов достигнет насыщения, его параметр ALза счет уменьшения μЭКВ уменьшиться, а токи обмоток, определяемые (8), (12), (13) и (15) резко возрастут, что приведет к перегрузке и выходу из строя силовых элементов. Да и схема работать не будет, поскольку при совпадении знаков ΔФ1 и ΔФ2 магнитопровод дросселя, будет только накапливать энергию.

Влияние коэффициента трансформации дросселя на токи обмоток

Временные диаграммы магнитного потока и токов в обмотках дросселя L1 показаны на Рисунке 4. Из графиков видно, что в обратноходовом преобразователе токи обмоток iW1(t) и iW2(t) в моменты переключения ключей S1 и S2 резко (в идеальном случае – мгновенно) изменяются, а вот магнитный поток ф(t), и соответствующий ему полный ток до и после коммутации остаются неизменными.

Отношение токов в обмотках на границах этапов преобразования можно определить на основании (16), подставив в эти равенства формулы (8), (12), (13) и (15):

(18)

где n21 = N2/N1 – коэффициент трансформации дросселя [1].

Не составит труда также определить взаимосвязь между величинами изменения токов ΔIW1 и ΔIW2 в обмотках дросселя (Рисунок 4):

(19)

Формулы (18) и (19) позволяют определить влияние коэффициента трансформации дросселя n21на параметры электрических процессов в силовой части преобразователя.

Анализируя их видно, что в момент коммутации происходит резкое изменение тока в обмотках на величину коэффициента трансформации. Поскольку n21 может быть как меньше, так и больше единицы, то и ток может как увеличиться, так и уменьшиться.

Это позволяет, при необходимости, путем выбора n21 уменьшить величину пульсации токов в обмотках и использовать ключи S1 и S2 с меньшей установочной мощностью.

Рисунок 4.

Магнитный поток и токи обмоток дросселяобратноходового преобразователя.

Для обратноходового преобразователя, в котором дроссель включен по трансформаторной схеме, резкое изменение до нуля токов его обмоток обычно не вызывает какого-либо внутреннего дискомфорта, особенно с учетом того, что в технической литературе этот компонент часто называют трансформатором. Действительно, если ключи S1 или S2 размыкаются, то токи через обмотки физически протекать не могут, и поэтому должны быть равны нулю.

Но вот форма токов в обмотках дросселя, включенного по автотрансформаторной схеме, первоначально вызывает много вопросов. При автотрансформаторном включении ток по одной из обмоток дросселя протекает на протяжении обоих этапов преобразования, а по другой – только на протяжении одного.

Так, например, в понижающем преобразователе (Рисунок 5) при n21< 1 ток по обмотке W1 протекает только на первом этапе преобразования, а по обмотке W2 – на протяжении и первого и второго этапов.

А при коэффициенте трансформации дросселя больше единицы наоборот – ток по обмотке W1 протекает и на первом и на втором этапе, а по W2 – только на втором.

Рисунок 5.

Магнитные потоки и токи обмоток преобразователей с автотрансформаторнымвключением дросселя.

Из-за этого в моменты коммутации происходит резкое изменение количества витков, участвующих в процессе преобразования, приводящее, в соответствии с (6), к резкому изменению тока в обмотках на величину коэффициента трансформации дросселя n21 (Рисунок 5), что и вызывает удивление у специалистов, не знакомых с тонкостями импульсного преобразования электрической энергии.

Заключение

На самом деле эта статья ничего не отменяет и не опровергает. В теории электрических цепей и электротехнике индуктивность – всего лишь виртуальный элемент, с помощью которого можно моделировать реальные физические процессы, в данном случае обмен – энергией между электрической схемой и магнитным полем.

Этой удобной и простой модели вполне достаточно для многих областей электроники и электротехники. Поэтому большинство разработчиков и уверены, что ток обмотки дросселя не может мгновенно измениться.

Но получается, что мгновенно не может измениться количество энергии в магнитном поле, а ток обмотки, выполняющей не более чем функцию антенны, теоретически может меняться как угодно.

Можно найти несколько вариантов объяснения такой формы токов в обмотках дросселя. Например, очень красиво резкие изменения объясняются с помощью закона сохранения энергии на основе известных формул W = 0.5LI2, где L = ALN2 – индуктивности обмоток. В этом случае совершенно необязательно вспоминать магнитное поле и теоремы циркуляции.

Однако очень часто некоторые разработчики забывают о том, что импульсные преобразователи все-таки преобразуют энергию, а не напряжение или ток. И значит, в первую очередь необходимо понимание физических процессов, происходящих в силовых элементах схемы, особенно в дросселях и трансформаторах – самых проблемных элементах этих устройств.

Список источников

Источник: https://simple-devices.ru/articles/17-theory/285-mozhet-li-tok-v-obmotke-drosselya-izmenitsya-mgnovenno-chast-2

Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция – возникновение в замкнутом контуре электрического тока при изменении магнитного потока, проходящего через контур.

Опыты Фарадея

1) Гальванометр замыкают на соленоид.
В соленоид вдвигается (или выдвигается из него) постоянный магнит. При перемещении магнита фиксируют отклонение стрелки гальванометра, что означает возникновение индукционного тока. При увеличении скорости перемещения магнита по отношению к катушке отклонение стрелки увеличивается. Также магнит можно оставить неподвижным и перемещать соленоид относительно магнита.

Появление индукционного тока

2) В этом эксперименте используются две катушки. Одна вставлена в другую. Концы одной из катушек соединяют с гальванометром. Через другую катушку пропускается электрический ток. Стрелка гальванометра отклоняется, когда происходит включение (выключение) тока, его изменение (увеличение или уменьшение) или если катушки движутся относительно друг друга.

Индукционный ток

При изменении магнитного потока через замкнутый проводящий контур, в контуре возникает электрический ток.
То есть, если скрутить из проволоки рамку и поместить ее в изменяющееся магнитное поле, по рамке ПОТЕЧЕТ ТОК — ИНДУКЦИОННЫЙ ТОК!

Опыты показали, что индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции.
Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока.

Ток в цепи может существовать, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура равна ЭДС.
Значит, при изменении числа магнитных линий через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляется ЭДС — ЭДС индукции.

Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем — вихревым электрическим полем.

Свойства вихревого электрического поля:

• источник – переменное магнитное поле;
• обнаруживается по действию на заряд;
• не является потенциальным;
• линии поля замкнутые.

Магнитный поток (Зарицкий А.Н.). урок. Физика 9 Класс

Вспомним, что при изменении параметров магнитного поля вблизи замкнутого проводника в нем возникает ток. Данный ток получил название тока индукции, а явление – явление электромагнитной индукции.

Однако остается вопрос, какие конкретно параметры магнитного поля нам необходимо меня для получения данного эффекта. Для начала проведем эксперимент:

Для его проведения нам необходимо: катушка с большим количеством витков и подключенный к ней амперметр. В ходе проведения опыта обратите внимание на поведение стрелки амперметра (рис. 1).

Рис. 1. Опыты Фарадея

Как мы видим, при опускании и вынимании полосового магнита из катушки в ней образуется индукционный ток.

Проанализируем, изменение какого именно параметра привело к наблюдаемому эффекту. При приближении и отдалении магнита от катушки в ней меняется сила магнитного поля.

Таким образом, величиной, которая влияет на образование тока индукции в катушке, является сила магнитного поля.

Вспомним, что она описывается такой величиной, как магнитная индукция. Она является вектором и обозначается  и измеряется в Тл.

Помещенное перпендикулярно магнитному полю замкнутое проволочное кольцо сжимаем с нескольких сторон, чтобы оно изменило свою форму (рис. 2).

Рис. 2. Иллюстрация к опыту

При этом на протяжении процесса деформации в кольце возникает ток индукции. Что же мы изменяли в этот раз?

Теперь изменению подверглась площадь кольца. Конечно же, вместо кольца можно экспериментировать с любым замкнутым проводником.

Контур – замкнутый проводник (рис. 3).

Рис. 3. Контур

Рис. 4. Генератор

Его основными элементами являются (рис. 4):

• катушка, которая может вращаться вокруг своей оси;
• установленный вокруг катушки постоянный магнит.

При вращении катушки в магнитном поле можно увидеть, что лампочка загорается (т. е. в цепи возникает ток индукции).

Из этого опыта можно сделать вывод о том, что явление электромагнитной индукции проявляет себя и при повороте катушки или проводящей рамки в магнитном поле (рис. 5), т. е. при изменении угла между магнитными линиями и плоскостью проводника.

Рис. 5. Иллюстрация к опыту

Все три параметра, изменения которых влияют на величину тока индукции, объединяет физическая величина под названием магнитный поток.

В – модуль магнитной индукции поля

S – площадь контура

 – характеризует расположение плоскости контура относительно магнитной линии.

Магнитный поток измеряют в Веберах (Вб) и обозначают буквой Ф.

Таким образом, магнитный поток пропорционален модулю магнитной индукции поля, площади контура и зависит от расположения плоскости контура относительно магнитной линии.

Задача на анализ параметров магнитного потока

Для того чтобы научиться делать выводы об изменении магнитного потока в элементах различных электрических цепей, что может привести к наличию нежелательных индукционных токов, рассмотрим задачу.

Проволочная катушка со стальным сердечником включена в цепь постоянного тока последовательно с реостатом и ключом (рис. 6).

Рис. 6. Иллюстрация к задаче

Электрический ток, протекающий по веткам катушки,  создает в пространстве вокруг нее магнитное поле (рис. 7). В поле катушки и находится такая же катушка .

Рис. 7. Иллюстрация к задаче

Каким образом можно поменять магнитный поток пронизывающий катушку ? Рассмотрите все возможные варианты.

Вспомним, изменение каких параметров приводит к изменению магнитного потока.

Начнем с изменения индукции магнитного поля катушки .Этого возможно добиться, если изменять силу тока, которая порождает ее магнитное поле. Изменять ток в изображенной цепи можно 2-мя способами:

1. Передвижение ползунка реостата

2. Включение/выключение ключа

Стоит отметить, что изменение значения тока будет наибольшим от максимального до нуля, что приведет к наибольшему изменению магнитного потока в катушке .

Следующим параметром, изменение которого повлияет на значение магнитного потока, является площадь контура. В нашем случае катушки  Но изменить площадь сечения катушки мы не можем. Следовательно, вариант отпадает.

Последним вариантом изменения магнитного потока является поворот катушки  относительно магнитных линий катушки . Для достижения максимального результата изменения повернуть катушку необходимо на 90(рис. 8).

Рис. 8. Иллюстрация к задаче

Что же описывается магнитным потоком?

Как мы уже отметили, он зависит:

• От силы магнитного поля
• От площади контура, через который эти магнитные линии проходят
• От угла расположения между контуром и магнитными линиями

Таким образом, магнитный поток характеризует количество магнитных линий, пронизывающих ограниченный контур.

Это легко проверить.

1. Сравним количество линий, которые пронизывают одинаковый контур, но в различных по силе магнитных полях (рис. 9).

В более сильном поле контур пронизывает больше линий.

Рис. 9. Иллюстрация к задаче

2. Если сравнить количество линий, которые в одном и том же однородном магнитном поле пронизывают различные по площади контуры, то их очевидно больше через больший контур (рис. 10).

Рис. 10. Иллюстрация к задаче

3. Если сравнивать поворот контура в магнитном поле на угол  к магнитным линиям и его расположение вдоль линий, то в первом случае их количество через плоскость контура будет максимально. А во втором магнитные линии будут скользить вдоль контура и не пронизывать его вовсе (рис. 11).

Рис. 12. Иллюстрация к задаче

В указанных примерах большему числу линий через контур соответствовал больший магнитный поток.

В результате отметим, что поскольку величина тока индукции зависит от изменения магнитной индукции, площади контура и от ее ориентации в пространстве, то принято говорить, что она зависит от изменения магнитного потока.

Кроме того, опыты Фарадея показали, что важна скорость изменения магнитного потока. Чем быстрее изменять указанные величины, тем величина индукционного тока будет больше.

Таким образом, можно утверждать, что явление электромагнитной индукции характеризуется скоростью изменения магнитного потока.

Задача на определение условий возникновения индукционного тока

Для того чтобы разобраться со взаимосвязью магнитного потока через контур и явлением электромагнитной индукции в нем, рассмотрим задачу:

Небольшую катушку поступательно перемещают в однородном магнитном поле. Возникает ли в катушке индукционный ток? Ответ обоснуйте.

Рис. 12. Иллюстрация к задаче

Может показаться, что из-за движения катушки могут быть изменения, следствием которых будет являться возникновение тока индукции в ее витках (рис. 12).

Вспомним, что обязательным условием возникновения тока индукции является изменение магнитного потока через витки катушки. Для этого необходимо изменение магнитной индукции через контур катушки. Чего не наблюдается, т. к. по условию поле однородно.

Кроме этого возможно изменение площади сечения катушки, чего также не наблюдается.

Последний возможный вариант – это изменение угла поворота плоскости катушки к магнитным линиям поля, чего, очевидно, также не происходит, поскольку движение поступательное, а значит, никаких поворотов катушки не наблюдается.

Следовательно, делаем вывод – магнитный поток изменяться не будет, соответственно, никакого тока индукции образовываться в витках катушки тоже не будет.

Сравнение магнитного потока с потоком воды

Название изученной нами новой физической величины магнитного потока не случайно. Дело в том, что магнитный поток через контур можно сравнить с потоком воды через кольцо, которое помещено в трубу (рис. 13). (1)

Чем скорость воды больше, тем больше ее проходит через кольцо в единицу времени. (2)

Чем больше площадь кольца, тем, опять-таки, через него протечет больше воды за наблюдаемое время. (3)

Если поворачивать кольцо при его поперечном расположении к потоку воды, через плоскость кольца протечет максимальное количество воды. (4)

Если начать его поворачивать под острым углом к потоку, то воды будет протекать все меньше. (5)

Рис. 13. Сравнение магнитного потока с потоком воды

А при повороте вдоль оттока вода вообще не будет проходить сквозь кольцо, а будет скользить вдоль него. (6)

Аналогичные свойства мы с вами рассмотрели для магнитного потока.

На уроке мы объяснили, какие параметры магнитного поля и контура необходимо менять для наблюдения явления электромагнитной индукции. Мы объединили это в понятие «магнитный поток».

Список литературы

1. Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования.
2. Яворский Б.М., Пинский А.А., Основы физики, т.2., – М. Физматлит., 2003.
3. Элементарный учебник физики. Под ред. Г.С. Ландсберга, Т. 3. – М., 1974.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Домашнее задание

1. От чего зависит магнитный поток, пронизывающий площадь плоского контура, помещенного в однородное магнитное поле?
2. Как меняется магнитный поток при увеличении в n раз магнитной индукции, если ни площадь, ни ориентация контура не меняются?
3. Меняется ли магнитный поток при таком вращении контура, когда линии магнитной индукции то пронизывают его. то скользят по его плоскости?

Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/9-klass/elektromagnitnye-yavleniya/magnitnyy-potok